摘要
钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 因其高效率、低成本和可印刷性等优点,成为最有希望取代传统硅基太阳能电池的下一代光伏技术。近年来,钙钛矿太阳能电池 (PSCs)的效率不断攀升,已突破 25% 的瓶颈,但其长期稳定性问题仍然是阻碍其商业化应用的关键因素。
为了解决这一挑战,中国科学院宁波材料技术与工程研究所的 Ziyi Ge 和 Daobin Yang 研究团队设计合成了三種雙膦酸錨定吲哚咔唑 (IDCz) 衍生自组装单层 (SAMs):IDCz-1、IDCz-2 和 IDCz-3,并将其用于制备倒置钙钛矿太阳能电池 (PSCs)。通过调节 IDCz 单位的两个氮原子位置,有效地提高了分子偶极矩,并增强了 π-π 相互作用。研究人员发现,使用 IDCz-3 作为空穴收集层的倒置 钙钛矿太阳能电池 (PSCs)表现出最佳的性能,其 PCE 达到了 25.15%,创下了多足 SAMs 基 PSCs 的新纪录,并且未封装的 IDCz-3 器件可以保存至少 1800 小时,性能几乎没有下降,展现出优异的长期稳定性。
本研究使用设备
QE-R PV/太阳能电池量子效率测量系统
研究背景与核心概念
倒置 钙钛矿太阳能电池 (PSCs)由于其结构简单、制备工艺易于控制等优点,成为目前 钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 研究领域的热点。在倒置钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 中,空穴传输层 (HTL) 与钙钛矿薄膜的界面起着至关重要的作用,它决定了器件的效率和稳定性。自组装单层 (SAMs) 作为一种有效的界面修饰材料,近年来在 钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 领域得到广泛应用,它可以有效地钝化界面缺陷,降低电荷复合,并改善载流子传输性能。
然而,现有的 SAMs 通常面临着一些挑战,例如无法有效改善埋藏界面缺陷、稳定性不足等问题。为了进一步提升 钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的效率和稳定性,需要开发新型的 SAMs 材料,并深入研究其作用机制。
研究方法与主要发现
该研究团队设计合成了三種雙膦酸錨定吲哚咔唑 (IDCz) 衍生 SAMs:IDCz-1、IDCz-2 和 IDCz-3。这三种分子通过调节 IDCz 单位的两个氮原子位置,有效地提高了分子偶极矩,并增强了 π-π 相互作用。
研究人员发现,通过控制分子偶极矩和能级,可以改变 FTO 电极的功函數 (WF),从而调节钙钛矿的能带弯曲,促进空穴提取和阻挡电子。其中,使用 IDCz-3 作为空穴收集层的倒置 PSCs 表现出最佳的性能。
研究结果与讨论
研究人员通过一系列表征手段,包括 UV-Vis、XPS、KPFM、SCLC 等,对 IDCz-3 的性能进行了分析。结果表明:
提高钙钛矿薄膜质量: IDCz-3 可以有效地提高钙钛矿薄膜的质量,降低其表面粗糙度,从而减少缺陷。
降低缺陷密度: IDCz-3 可以有效地钝化钙钛矿薄膜中的缺陷,包括晶界处和表面处的缺陷,从而降低缺陷密度。
促进电荷传输: IDCz-3 可以有效地降低钙钛矿/HTL 界面的能垒,促进空穴提取,提高器件的短路电流密度 (Jsc) 和填充因子 (FF)。
抑制非辐射复合: IDCz-3 可以有效地抑制非辐射复合,提高器件的开路电压 (Voc) 和效率。
基于 IDCz-3 的倒置 PSCs 的 PCE 达到 25.15%,创下了多足 SAMs 基 PSCs 的新纪录。此外,未封装的 IDCz-3 器件可以保存至少 1800 小时,性能几乎没有下降,展现出优异的长期稳定性。
结论与展望
该研究开发的具有更大偶极矩的双膦酸锚定自组装分子,有效提升了钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的效率和稳定性,为钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的产业化应用提供了新的方向。
未来,可以通过进一步优化 SAMs 的结构和性质,例如:
合成具有更强偶极矩的分子。
优化 SAMs 的分子排列方式,以提高其钝化效果。
将 SAMs 与其他界面工程策略结合,进一步提升 PSCs 的性能。
相信随着研究的深入,钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的性能将会进一步提升,并最终实现产业化应用,为全球能源转型贡献力量。。
本文參數圖:
Fig S19_ J-V曲线图,分别代表基于IDCz-1、IDCz-2和IDCz-3的PSCs 。都显示了正向(Forward)和反向(Reverse)扫描的电流密度(单位为安培每平方厘米)随电压(单位为伏特)变化的曲线。
· IDCz-1:正向和反向扫描曲线非常接近,表明器件性能稳定。
· IDCz-2:同样显示出正向和反向扫描曲线重合,稳定性好。
· IDCz-3:曲线与前两者相似,也显示出良好的重合性。
· 所有曲线在接近1.2V时电流密度迅速下降,这可能是由于达到了器件的最大功率点。曲线的形状和稳定性对于评估太阳能电池的性能非常重要。
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原文出处: Advanced Materials
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